我国首个火星探测器“天问一号”发射升空
腾讯太空 文/乔辉
据央视新闻客户端消息，2020年7月23日12点41分左右，我国长征五号遥四运载火箭在海南文昌发射中心发射升空，本次搭载的是“天问一号”火星探测器。这是我国首次自主探测火星。我们火星探测虽然起步晚，但是起点高，难度大，要通过一次任务实现火星环绕、着陆和巡视。
据介绍，“天问一号”这个名称源于屈原长诗《天问》，表达了中华民族对真理追求的坚韧与执着，体现了对自然和宇宙空间探索的文化传承，寓意探求科学真理征途漫漫，追求科技创新永无止境。
一、为什么我们要探测火星？
图注：火星的地形地貌（来源：NASA）。
火星是太阳系内与地球环境最接近的行星，有稀薄的大气层，气压为地球的1%，局部最高温度甚至可达35摄氏度，当然平均温度还是比较低的，只有零下63摄氏度。此外，还封存有大量冷冻状态的水（有关火星水资源的情况，下文有专门部分介绍）。因此，在未来，火星几乎是唯一存在移民可能性的行星。另外，火星还可能存在像微生物这种低等生命的可能性。这也是世界各国热衷探索火星的重要原因。
二、为什么必须要用长征五号火箭发射？
从原理上讲，采用多大运载能力的火箭发射探测器取决于两个因素：一是看探测器有多重，二是看探测器要飞往哪里。我们来具体看一下“天问一号”的情况。本次“天问一号”火星探测器整体重约5吨，目的地是遥远的火星。我国目前运载能力最强的长征五号火箭才刚好能够满足要求，因此必须用长征五号火箭发射。
三、为什么今年三个国家扎堆发射火星探测器？
你如果关注太空，就会知道今年有三个国家向火星发射探测器：我国的“天问一号”探测器、美国的“毅力”号火星车和阿联酋的“希望”号探测器。其中，“希望”号探测器已于7月20日率先发射升空，目前正在飞往火星的途中；“毅力”号火星车计划将于7月30日发射。
如果错过了8月15日这个最后的窗口日期，那么就要继续等两年，这是为什么呢？
我们知道，火星轨道在地球轨道的外侧，它们共同绕太阳运动。火星绕太阳一圈大约需要2个地球年，火星运动的比地球慢，因此二者之间的相对位置在时刻在变化。最远时两者之前的距离大约4亿公里，最近时大约5500万公里。那，是不是说当两者之间距离最近的时候才发射火箭呢？答案是否定的。上面我们也说了，地球和火星的相对位置在时刻变化，我们不能有“刻舟求剑”的错误思维。
其实，早在1925年，有一位名叫霍曼的工程师就提出了一种让航天器变换轨道的最优方案，后来被称为“霍曼转移轨道”。具体到从地球飞往火星，这是一种连接地球轨道与火星轨道的椭圆轨道。
如果选取的发射时间窗口合适，当探测器沿着霍曼轨道运动到与火星轨道交点时，火星也能恰好运行到这个交点附近。对于发射火星探测器而言，这个时间窗口大约每26个月才出现一次。
因此，错过今年的发射窗口，就要再等两年！所以，今年才出现扎堆发射火星探测器的情况。例如，欧盟和俄罗斯联合研制的火星探测器，本来也是今年发射，但由于技术原因被迫推迟，只能等到2022年发射了。
图注：2018年，美国洞察号飞往火星的轨道。其他飞往火星探测器的轨道类似。
这里要强一下，这种最优的轨道设计不是最节省时间，而是最节省燃料，目的是为了最大限度提高有效载荷。理论上，采用霍曼转移轨道，从地球到火星要飞八个多月左右的时间。当然，探测器实际飞行的轨道往往并不是严格的霍曼转移轨道，实际飞行时间稍短或稍长。本次，“天问一号”只需七个多月就能到火星了。
四、“天问一号”探测器是什么样构型？
前面我们也提到了，“天问一号”要一次性完成对火星环绕、着陆和巡视，简称绕、落、巡。这就要求探测器由三个基本部分构成：轨道飞行器（火星卫星）、着陆器和巡视器（火星车）。在发射时，三个部分作为一个整体，一起发射升空。
图注：着巡器降落火星艺术图。
“天问一号”进入火星轨道后，当时机成熟时，轨道器和着巡器（着陆器+巡视器）先分离，轨道器继续绕火星飞行，着巡器在气动阻力、降落伞减速、反推火箭制动以及着陆腿缓存等一系列减速方法的作用下，在火星上实现软着陆。随后，火星车驶离着陆平台，踏上火星表面。至此，三大部分完全分离。
图注：着巡器在火星表面（艺术图）。
喜欢太空的朋友肯定对NASA的“机遇”号火星车、“勇气”号火星车和“好奇”号火星车并不陌生。它们是火星探测的担当，时不时会传出有关火星上的新发现。我们自己的火星车是什么样子呢？
图注：天问一号火星车在火星表面的样子（艺术图）。
我们的火星车重约240公斤，几乎是玉兔月球车重量的两倍，预计能工作至少90个火星日。这个重量介于NASA的“机遇”号火星车和“好奇”号火星车之间。具体来讲，“机遇”号火星车重185公斤，“好奇”号火星车重900多公斤。
我们的火星车有四片太阳能板，六个车轮，两个高耸的天线，看起来就像一只蝴蝶。受火星上光照和温度的限制，火星车最佳的工作时间是在火星的中午前后，这时候阳光比较充足，能为其上搭载的科学仪器提供充足的电力。在白天阳光充足的时候，火星车还会把一部分电能储存在蓄电池中，以备夜间使用。
除此之外，科学家还想到一种利用物质相变吸收太阳能的巧妙方法，在火星车顶部，有一个叫集热窗的装置，里面装有正十一烷。白天，温度升高的时候，这种物质吸收热量而熔化；夜间，温度下降的时候，这种物质释放热量而凝固。利用这种方法，可保证火星车安全度过漫漫寒夜。
五、“天问一号”的科学目标是什么？
据官方透露，“天问一号”任务共有13种有效载荷。轨道器上的7台仪器包括两台相机、火星轨道次表层探测雷达、火星矿物学光谱仪、火星磁力仪、火星离子和中性粒子分析仪、火星高能粒子分析仪。火星车上的6台仪器包括多光谱相机、地形相机、火星次表层探测雷达、火星表面成分探测器、火星磁场探测器和火星气象监测仪。
这些有效载荷要完成以下五大科学目标：（1）绘制火星形态和地质结构图；（2）调查火星表面的土壤特征和水冰分布；（3）分析火星表面的物质组成；（4）测量电离层和火星地表气候及环境特征；（5）探索火星的物理场（电磁场、引力场）和内部结构。
六、“天问一号”的重要意义是什么？
我们知道，我国已经完成了四次探月任务：嫦娥一号和嫦娥二号的绕月任务，嫦娥三号和嫦娥四号的落月任务，其中，嫦娥四号完成人类探测器首次在月球背面软着陆的壮举。然而，这都还都属于地月系统内的探测，而本次“天问一号”探测器是我国首次自主探测火星，而且还要一次完成轨道器、着陆器和火星车三种形式的探测活动，复杂度和难度非常高。一旦成功，将标志着我国在深空探测领域取得了重大进展。
据悉，后续我国还将执行小行星探测、火星采样返回和木星探测等深空任务。因此，“天问一号”还将为未来的这些天问系列探测器铺平道路。
七、无形的风筝线：深空网
火星探测器离开地球，在飞往火星的过程中需要精确测控。由于探测器的距离很远，发出的信号随着距离的增加而衰减，这就需要有强大的深空测控能力。
图注：位于美国加州戈德斯通的70米深空网天线。
最著名的要数美国深空网（DNS），这是由美国喷气推进实验室管理的一个先进的测控网，是为了对执行月球、行星和行星际探测任务的航天器进行跟踪、导航与通信而建立的地基全球分布测控网。
为了克服地球自转影响，实现对深空航天器的连续测控覆盖，深空测控网的布局通常是在全球范围内经度上间隔约120度，这样就可以确保对距离地球表面3万公里以上的航天器进行连续跟踪。
美国深空网由在全球按经度间隔120度分布的三个深空通信综合设施组成，分别位于美国加州的戈尔德斯通、西班牙的马德里和澳大利亚的堪培拉。深空网的操作控制中心位于美国加州帕萨迪纳的喷气推进实验室。美国深空网是目前世界上规模最大、能力最强的深空测控系统。
除了美国深空网，欧空局也有自己的全球性深空网。俄罗斯、日本、印度、意大利、德国等国家也研制建设了自己的深空测控设备，但并未形成完整的全球性深空网。
近年来，我国为了深空探测的需要，也建立了自己的深空网，嫦娥探月计划的成功实施，深空测控网功不可没。本次发射“天问一号”火星探测器，也得益于我们除了拥有推力强劲的长征五号运载火箭之外，还拥有独立的全球性深空网。
我们的深空通信综合设施主要是喀什深空测控站、佳木斯深空测控站和位于阿根廷的深空测控站。为什么要到阿根廷建设深空测控站？上面我们也提到了，为了克服地球自转影响，实现对深空航天器的连续跟踪。
据悉，虽然佳木斯站和喀什站充分利用了我国地域上的东西纵深，经过验证，其测控能力已可达到6400万公里，但是这两个深空测控站还不能实现全天24小时覆盖，每天还会有8到10个小时的测控盲区，要保证连续的通信还得在我国另一面的南美洲建一个站点。
图注：喀什深空站35米测控设备。
图注：佳木斯深空站66米测控设备。
图注：阿根廷深空站35米测控设备。
目前，我国的深空网已成为继美国深空网、欧空局深空网之外，又一功能完备的全球性测控网。
除了这些专用的深空测控天线外，分布在国内的众多射电望远镜也能帮助接受信号，为我国深空探测任务保驾护航。
八、火星和地球的比较
太阳系内有八大行星，其中水星、金星、地球和火星属于岩石行星，探测器可以在上面着陆，木星、土星、天王星和海王星属于气态行星，没有固体表面。
在四颗类地行星中，金星和地球的大小最为接近，但除了大小之外，其他方面就很不一样了，金星表面的温度可达400摄氏度，甚至可以让铅熔化，人类是无法在这样的环境中长期驻留和生存的。
图注：地球和火星的大小比较。
火星的直径相当于地球的一半，表面引力相当于地球的三分之一，大气压相当于地球的百分之一，赤道地区最高温度甚至可达35摄氏度，但全球平均温度较低，为零下63摄氏度。
另外，火星的自转周期和地球非常接近，为24小时40分钟。像地球一样，火星也是倾斜着自转的，倾角为25.2度，地球为23.5度，两者也非常接近。由于是倾斜着自转，也就像地球一样，有四季交替现象。
值得注意的是，火星的大气绝大部分是二氧化碳，含量高达95%！其余是氮气等气体，没有氧气。因此，未来飞往火星的宇航员必须身穿宇航服才能在上面活动。
九、火星是一颗拥有大量水（冰）的行星
最新探测表明，远古火星也曾经是一颗温暖湿润的星球，很可能有全球性的海洋。2015年，有科学家声称，远古火星的北半球曾经被平均深度达数百米的海洋覆盖。前提是，远古火星的大气压要比当前高很多才行。细节方面尚存争议。
图注：远古火星可能存在过大面积的海洋。
目前，在火星的两极地区，尚有大量冷冻状态的水，也就是水冰了。在水冰之上，覆盖有数米后的一层干冰（固态二氧化碳）。科学家估计，如果火星南极冰盖完全融化，然后覆盖火星表面，那么平均水深可达11米。
2016年，美国宇航局宣布，在火星乌托邦平原地区，发现有一个巨大的地下冰体，估计含水量相当于苏必利尔湖。乌托邦平原也是本次我国“天问一号”火星着巡器选择的着陆的地区。。
图注：火星上的这个撞击坑内部充满了水冰，足有2.2万亿立方米。
2018年，欧空局的“火星快车”探测器在火星北极地区发现了一个巨大的撞击坑，直径达81公里，深2公里。令人兴奋的是，撞击坑内部充满了水冰，体积达2200立方公里，换算一下，相当于2.2万亿立方米。如果全部融化成水，体积要乘以0.9，那就是1.98万亿立方米，相比之下，三峡大坝的最大库容才400亿立方米。
十、火星上有生命吗？
既然火星上有大量的水资源，还可能曾经一片汪洋，会不会存在火星生命呢？这个问题无疑也是科学家最关心的问题。
早在19世纪，有一位意大利天文学家通过望远镜观测到火星表面存在着凹槽或者河道，他以意大利单词“canali”对其命名，在英语中的意思是“运河”。使人们产生联想认为火星表面可能存在智慧生命，并建造运河系统。
随着望远镜技术的进展和深空探测的进步，火星上存在高等智慧生命的说法不攻自破。但有没有存在像细菌这样的低等生命呢？
人类探测器前赴后继要去火星，其中一个最重要的目的是，寻找目前火星存在生命的证据或远古火星存在过生命的证据。从1976年着陆火星的“海盗”号探测器，到2012年着陆火星的“好奇”号火星车都在努力寻找这个问题的答案。到目前为止，还没有明确的结论，但已经发现远古火星存在过生命的蛛丝马迹。
如果发射条件允许，今年7月30日，美国“毅力”号火星车将发射升空。毅力号是在“好奇”号的架构上建造而成，堪称“好奇”号的姊妹探测器，其主要使命就是寻找火星生命的痕迹。
十一、人类探测火星的悲壮历史
图注：人类发射成功的火星探测器全家福。
迄今为止，人类已尝试发射了45次火星探测。其中，美国21次，前苏联和俄罗斯共19次，日本1次，欧洲2次，印度1次，阿联酋1次。完全成功和部分成功共计23次（阿联酋的“希望”号探测器还在飞往火星的途中，先不做成功与否的统计）。
其中，前苏联共尝试发射17次火星探测器，成功和部分成功仅5次，成功率仅29%。因此，火星有探测器坟场的称呼。
我们来看一看前苏联悲壮的火星发射历史：
1960年10月10日，苏联率先尝试发射火星探测器，遗憾的是，没有飞出地球轨道。
1960年10月14日，再发射一枚，又失败了。没有离开地面。
1962年10月24日，再发射一枚，又失败了，没有飞出地球轨道。
1962年11月1日，再发射一枚，这次终于发射成功，但在飞往火星的路上失联了。
1962年11月4日，再发射一枚，没有飞出地球轨道。
1964年11月30日，再发射一枚，这次发射成功了，但在飞往火星的路上又失联了。
1969年3月27日，再发射一枚，又失败了，没有飞出地球轨道。
1969年4月2日，再发射一枚，又失败了，火箭升空41秒爆炸了。
1971年5月10日，再发射一枚，又失败了，没有飞出地球轨道。
1971年5月19日，再发射一枚，这次终于成功了，并于1971年11月27日进入火星轨道。
此后，前苏联又发射了7次火星探测器，成功了4次，失败了3次。
美国向火星发射了22次探测器，其中成功了15次，失败了7次；欧空局向火星发射了2次，成功了2次；俄罗斯向火星发射了2次，失败了2次；日本向火星发射了1次，失败了1次；印度向火星发射了1次，成功了1次。
随着科技的进步，近些年火星探测器的成功率已经有了很大的提高。
2020年7月20日，阿联酋的“希望”号火星探测器发射升空，正在飞往火星的征途中。
十二、火星上有哪些最著名的探测器？
图注：迄今为止在火星表面着陆的探测器。
当前，最著名的火星探测器要数“好奇”号火星车了，“好奇”号火星车自从2012年着陆火星以来，一直稳定工作，靠放射性同位素发电机提供能量。
图注：美国宇航局好奇号火星车（艺术图）。
2004年着陆火星的“勇气”号和“机遇”号火星车也是大名鼎鼎，两辆火星车的设计寿命只有90天，但两者都大大超期服役。其中，“勇气”号运行到2010年，“机遇”号更是运行到2018年。
图注：美国宇航局机遇号号火星车（艺术图）。
1976年着陆到火星的“海盗一号”和“海盗二号”着陆器也非常有名，这两枚着陆器极大提高了人类对火星的认识。
2018年着陆火星的“洞察”号探测器是目前最新的着陆器，目前正在通过监听火星的星震和内部热流来研究火星的整体结构。
图注：火星勘测轨道飞行器（艺术图）。
除了这些火星车和着陆器，在火星轨道上运行的著名轨道器（火星人造卫星）有“2001火星奥德赛”；“火星快车”以及“火星勘测轨道飞行器”等等。
现在，“天问一号”火星探测器已踏上了奔赴火星的轨道，它还要经历7个多月的漫长旅行，行程数亿公里才能到达火星。祝“天问一号”一路顺风，明年2月期待它着陆火星的好消息。
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